一種磁致伸縮相控陣水平剪切導(dǎo)波換能器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種磁致伸縮相控陣水平剪切導(dǎo)波換能器。多個磁致伸縮薄片陣元均由各自的磁致伸縮薄片、直流偏置線圈和交流線圈組成，兩線圈正交纏繞在磁致伸縮薄片上，各陣元的線圈端經(jīng)各自接口與總接口連接；交流線圈經(jīng)線路切換裝置能與功率放大電路模塊相連；或經(jīng)線路切換裝置能與信號調(diào)理方法電路模塊相連；交流線圈作為檢測線圈，直流偏置線圈提供直流偏置磁場，多個磁致伸縮薄片陣元組成一維線陣。調(diào)節(jié)各磁致伸縮薄片陣元的激勵時間，實現(xiàn)SH導(dǎo)波模式的精確控制，結(jié)合掃頻技術(shù)，可實現(xiàn)SH導(dǎo)波模式全面掃查，反之控制各陣元的接收時間延時，可選擇性接收某種SH模式的導(dǎo)波信號，本發(fā)明間距可動態(tài)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)SH導(dǎo)波模式的精確控制和全面掃查。
【專利說明】
一種磁致伸縮相控陣水平剪切導(dǎo)波換能器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及導(dǎo)波換能器，尤其是涉及一種磁致伸縮相控陣水平剪切導(dǎo)波換能器。 【背景技術(shù)】
[0002]超聲導(dǎo)波是一種長距離無損檢測技術(shù)，具有檢測范圍廣，檢測效率高，可以實現(xiàn)全截面覆蓋等優(yōu)點，因此在管道、桿、鋼軌、板等結(jié)構(gòu)的無損檢測中有著廣泛的應(yīng)用。按激勵方式，超聲導(dǎo)波換能器主要有壓電式、磁致伸縮式、電磁超聲式和激光超聲等，壓電式導(dǎo)波換能器從結(jié)構(gòu)分為斜入射式和梳狀陣列式兩種，斜入射式導(dǎo)波換能器是壓電縱波探頭以一定角度入射至結(jié)構(gòu)表面，根據(jù)斯涅耳定律，得到結(jié)構(gòu)內(nèi)彈性波的相速度，在頻率-相速度坐標系下，斜入射式導(dǎo)波換能器的輸出特性表現(xiàn)為一水平直線，即該直線與頻散曲線的交叉點是可選擇的工作點；梳狀陣列式導(dǎo)波換能器輸出彈性波的波長是恒定的，其輸出特性表現(xiàn)為一通過零點的斜線，該斜線與頻散曲線的交叉點是可選擇的工作點。因此斜入射式和梳狀陣列式導(dǎo)波換能器都只能輸出有限的固定模式的導(dǎo)波，無法實現(xiàn)頻散曲線上導(dǎo)波模式的全面掃查。
[0003]近年來以FeN1、FeCo合金作為換能元件的磁致伸縮薄片式換能器 (Magnetostrictive Patch Transducer，簡稱MPT)在導(dǎo)波無損檢測領(lǐng)域越來越受到關(guān)注， 其突出的優(yōu)點是:靈敏度高、檢測距離更遠、耐久性好、操作簡單、成本低，MPT相比壓電式和電磁超聲能產(chǎn)生更純凈的剪切模態(tài)，具有更大的剪切力輸出，使其在管道的T(0，1)模態(tài)和板狀結(jié)構(gòu)的SH0模態(tài)無損檢測中獲得了廣泛應(yīng)用。然而目前的磁致伸縮薄片式換能器只能輸出固定模式的導(dǎo)波，難以輸出高階模式的SH(水平剪切)導(dǎo)波，無法實現(xiàn)導(dǎo)波模式的全面掃查。
[0004]不同頻率不同模式的導(dǎo)波有不同的波結(jié)構(gòu)，即存在不同的位移場分布，因此不同頻率和不同模式的導(dǎo)波對各種缺陷有不同的敏感程度。開發(fā)具有模式掃查功能的導(dǎo)波換能器，在頻散曲線空間里盡可能激發(fā)出更多更純凈的導(dǎo)波模式，才能充分發(fā)揮導(dǎo)波檢測的優(yōu)勢和潛力。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了突破磁致伸縮薄片換能器只能輸出固定模式導(dǎo)波的限制，本發(fā)明的目的在于提供一種磁致伸縮相控陣SH(水平剪切)導(dǎo)波換能器，能夠?qū)崿F(xiàn)SH導(dǎo)波模式的精確控制和全面掃查。
[0006]為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:本發(fā)明包括:基底，多個結(jié)構(gòu)相同的磁致伸縮薄片陣元，絕緣層和總接口；多個磁致伸縮薄片陣元均由各自的磁致伸縮薄片、直流偏置線圈和交流線圈組成，直流偏置線圈和交流線圈正交纏繞在磁致伸縮薄片上，用環(huán)氧樹脂粘結(jié)在基底上，基底上面覆蓋有絕緣層，各陣元的線圈端經(jīng)各自接口用電纜與總接口連接;交流線圈經(jīng)線路切換裝置能與功率放大電路模塊相連;交流線圈或經(jīng)線路切換裝置能與信號調(diào)理方法電路模塊相連;交流線圈作為檢測線圈，直流偏置線圈提供直流偏置磁場，多個磁致伸縮薄片陣元組成一維線陣形式。
[0007]所述磁致伸縮薄片陣元的寬度為1?10mm，長寬比大于8,各磁致伸縮薄片陣元之間的間距為陣元寬度的2?3倍，一維線性陣元的個數(shù)為4?16,剪切波沿陣元寬度方向傳播。
[0008]所述基底材料為聚酯膠片或聚酰亞胺膠片。
[0009]所述磁致伸縮薄片其厚度為0.05-0.5mm的Fe_N1、Fe_Co、Fe_Ga、NiMnGa或 Terfenol-D磁致伸縮材料。
[0010]本發(fā)明具有的有益效果是:本發(fā)明通過多個結(jié)構(gòu)相同的磁致伸縮薄片陣元組成磁致伸縮相控陣SH導(dǎo)波換能器，通過環(huán)氧樹脂粘結(jié)在具有良好導(dǎo)波耦合特性的基底材料上，調(diào)節(jié)一維線陣上的各磁致伸縮薄片陣元的激勵時間，實現(xiàn)SH導(dǎo)波模式的精確控制，結(jié)合掃頻技術(shù)，可實現(xiàn)SH導(dǎo)波模式全面掃查，反之控制各陣元的接收時間延時，可選擇性接收某種SH模式的導(dǎo)波信號，該方法本質(zhì)上是基于相控陣的思想使傳統(tǒng)的固定間距的梳狀陣列導(dǎo)波換能器變?yōu)殚g距可動態(tài)調(diào)節(jié)，實現(xiàn) SH導(dǎo)波模式的精確控制和全面掃查?！靖綀D說明】
[0011]圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)主視示意圖。
[0012]圖2是圖1的俯視圖。
[0013]圖3是磁致伸縮薄片陣元結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖4是8mm厚度的平鋼板的相速度頻散曲線及斜入射式導(dǎo)波換能器與梳狀陣列式導(dǎo)波換能器輸出特性示意圖。
[0015]圖5是本發(fā)明精確輸出某高階模式導(dǎo)波過程示意圖。
[0016]圖中:1、磁致伸縮相控陣水平剪切導(dǎo)波換能器，2、基底，3、磁致伸縮薄片陣元，4、 絕緣層，5、總接口，6、電纜，7、磁致伸縮薄片，8、直流偏置線圈，9、交流線圈，10、線路切換裝置，11、功率放大電路模塊，12、信號調(diào)理放大電路模塊。r是磁致伸縮薄片陣元3的寬度，Z 是磁致伸縮薄片陣元3的長度，s是磁致伸縮薄片陣元3之間的間距?！揪唧w實施方式】[〇〇17]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0018]如圖1、圖2所示，本發(fā)明的磁致伸縮相控陣水平剪切導(dǎo)波換能器1，包括:基底2,多個結(jié)構(gòu)相同的磁致伸縮薄片陣元3 (圖中為八個陣元)，絕緣層4和總接口 5。多個磁致伸縮薄片陣元組成一維線陣形式，通過調(diào)節(jié)各磁致伸縮薄片陣元的激勵時間，實現(xiàn)SH導(dǎo)波模式的精確控制，結(jié)合掃頻技術(shù)，可實現(xiàn)SH導(dǎo)波模式全面掃查，反之控制各陣元的接收時間延時， 可精確接收某種SH模式的導(dǎo)波信號。
[0019]如圖2所示，所述磁致伸縮薄片陣元3的寬度r為1?10mm;長寬比U/ r)大于8,即 L彡8r ;各磁致伸縮薄片陣元3之間的間距s為陣元寬度r的2倍，S卩s =2r ;—維線性陣元的個數(shù)為4?16,剪切波沿陣元寬度方向傳播。
[0020]如圖3所示，多個磁致伸縮薄片陣元3均由各自的磁致伸縮薄片7、直流偏置線圈8和交流線圈9組成，直流偏置線圈8和交流線圈9正交纏繞在磁致伸縮薄片7上，用環(huán)氧樹脂粘結(jié)在基底2上，基底2上面覆蓋有絕緣層4,各陣元的線圈端經(jīng)各自接口用電纜6與總接口 5 連接;交流線圈9經(jīng)線路切換裝置10能與功率放大電路模塊11相連;交流線圈9或經(jīng)線路切換裝置10能與信號調(diào)理方法電路模塊12相連;交流線圈9作為檢測線圈，直流偏置線圈8提供直流偏置磁場，多個磁致伸縮薄片陣元組成一維線陣形式。兩組通電線圈分別提供魏德曼效應(yīng)所需的直流偏置磁場和動態(tài)交流磁場，磁致伸縮薄片陣元在魏德曼效應(yīng)作用下產(chǎn)生剪切應(yīng)變。[〇〇21] 功率放大電路模塊11的型號為:LVC5050或RPR-4000。[〇〇22] 信號調(diào)理放大電路模塊12型號為:SRS SR560或HB-851A。
[0023]所述基底1材料為具有良好導(dǎo)波耦合特性的聚酯膠片或聚酰亞胺膠片。
[0024]所述磁致伸縮薄片 7 其厚度為 0.05-0.5mi49Fe-N1、Fe-Co、Fe-Ga、NiMnGaS Terfenol-D磁致伸縮材料。環(huán)氧樹脂將磁致伸縮薄片陣元與基底材料粘結(jié)成一體，基底材料通過環(huán)氧樹脂或可重復(fù)使用的橫波耦合劑與被檢測結(jié)構(gòu)相連，磁致伸縮薄片陣元產(chǎn)生的剪切應(yīng)變通過基底材料和環(huán)氧樹脂或橫波耦合劑最終傳遞至被檢測結(jié)構(gòu)內(nèi)部。
[0025]如圖4所示，斜入射式導(dǎo)波換能器的輸出特性在頻率-相速度坐標系下表現(xiàn)為一水平線，即其相速度為恒定值G，其大小根據(jù)斯涅耳定律確定，水平線與頻散曲線相交點是可選擇的導(dǎo)波工作模式。梳狀陣列式導(dǎo)波換能器的輸出特性在頻厚積-相速度坐標系下表現(xiàn)為一斜線/，其傾斜角〃=atan ( h)，即輸出導(dǎo)波的波長為恒定值A(chǔ)o， 斜線與頻散曲線相交點是可選擇的導(dǎo)波工作模式。可以看出斜入射式導(dǎo)波換能器和梳狀陣列式導(dǎo)波換能器的導(dǎo)波工作模式選擇范圍有限，且非常不靈活。
[0026]如圖5所示，磁致伸縮相控陣SH導(dǎo)波換能器參數(shù)設(shè)計過程為:首先根據(jù)板結(jié)構(gòu)幾何、材料參數(shù)，計算工作頻率范圍內(nèi)的相速度頻散曲線，包含模態(tài)SH0、SH1、SH2、SH3、SH4、 SH5,選取相速度-頻率平面空間上的對角線，由心=〇7 //，確定磁致伸縮陣元的間距s = 七，C/70 =七/ ;相控陣列導(dǎo)波換能器的輸出特性為曲線C/7 =/1(9(1 + (3? ?々/，如圖5所示， 若已知頻散曲線上某點(目標模態(tài))的頻率為乃，相速度為，由4，又1 =心+ A 2=七 +(5? ? r,可推出 CjOi = CjO(9(l+ 因此 7=((3^/(37(9-1)//^ ;陣元①的延時時間為0,陣元②的延時時間為r，陣元③的延時時間為2 r，以此類推，陣元⑧的延時時間為7 r ;若需激勵的工作點在對角線的右下方，則延時時間r為負值，表示陣元⑧的延時延時為0， 陣元⑦的延時延時為r，以此類推。若事先不知道結(jié)構(gòu)準確的頻散曲線，可以參照上述方法，通過掃頻及陣元延時時間參數(shù)調(diào)整，實現(xiàn)導(dǎo)波模式的盲掃。
[0027]上述【具體實施方式】用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明做出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種磁致伸縮相控陣水平剪切導(dǎo)波換能器，其特征在于，包括:基底(2)，多個結(jié)構(gòu)相 同的磁致伸縮薄片陣元(3)，絕緣層(4)和總接口(5);多個磁致伸縮薄片陣元(3)均由各自的磁致伸縮薄片(7)、直流偏置線圈(8)和交流線 圈(9)組成，直流偏置線圈(8)和交流線圈(9)正交纏繞在磁致伸縮薄片(7)上，用環(huán)氧樹脂 粘結(jié)在基底(2)上，基底(2)上面覆蓋有絕緣層(4)，各陣元的線圈端經(jīng)各自接口用電纜(6) 與總接口(5)連接;交流線圈(9)經(jīng)線路切換裝置(10)能與功率放大電路模塊(11)相連;交 流線圈(9)或經(jīng)線路切換裝置(10)能與信號調(diào)理方法電路模塊(12)相連;交流線圈(9)作為 檢測線圈，直流偏置線圈(8)提供直流偏置磁場，多個磁致伸縮薄片陣元組成一維線陣形 式。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁致伸縮相控陣水平剪切導(dǎo)波換能器，其特征在于:所述 磁致伸縮薄片陣元(3)的寬度為1?10mm，長寬比大于8,各磁致伸縮薄片陣元(3)之間的間 距為陣元寬度的2?3倍，一維線性陣元的個數(shù)為4?16,剪切波沿陣元寬度方向傳播。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁致伸縮相控陣水平剪切導(dǎo)波換能器，其特征在于:所述 基底(1)材料為聚酯膠片或聚酰亞胺膠片。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁致伸縮相控陣水平剪切導(dǎo)波換能器，其特征在于:所述 磁致伸縮薄片(7)其厚度為 0.05-0.5mm 的 Fe_N1、Fe-Co、Fe_Ga、NiMnGaSTerfenoH^|^:H$ 縮材料。
【文檔編號】G01N29/24GK106093209SQ201610359784
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月27日
【發(fā)明人】唐志峰, 姜曉勇, 呂福在, 張小偉
【申請人】浙江大學(xué)